JP2010170826A - Fuel cell - Google Patents

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Katsumi Ichikawa
勝美 市川
Hisashi Chigusa
尚 千草
Shinichi Onodera
小野寺  真一
Hitoshi Koda
仁 甲田
Akiko Fujisawa
晶子 藤澤
Shinichi Kamibayashi
信一 上林
Naoyuki Takazawa
直之 高澤
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell improved in output performance. <P>SOLUTION: The fuel cell has a cathode catalyst layer 5, an anode catalyst layer 7, an electrolyte membrane 2 which is formed between the cathode catalyst layer 5 and the anode catalyst layer 7, and an anode gas diffusion layer 8 which is laminated on the anode catalyst layer 7 and includes first to third water repellent porous layers 9, 11, 12. The air permeability resistivity of the first water repellent porous layer 9 is larger than that of the second water repellent porous layer 11, and the total of the air permeability resistivity of the first water repellent porous layer 9 and the second water repellent porous layer 11 is larger than that of the third water repellent porous layer 12. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関するもので、特に小型の液体燃料直接供給型燃料電池に好適なものである。   The present invention relates to a fuel cell, and is particularly suitable for a small liquid fuel direct supply type fuel cell.

近年、リチウムイオン二次電池に代わって、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れている。   In recent years, small fuel cells have attracted attention in place of lithium ion secondary batteries. In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is more difficult to handle hydrogen gas than a fuel cell using hydrogen gas, and the organic fuel is reformed to generate hydrogen. There is no need for a device to create and it is excellent in miniaturization.

DMFCでは、アノード(例えば燃料極)においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成する。一方、カソード(例えば空気極)では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成する。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。   In DMFC, methanol is oxidized and decomposed at an anode (for example, a fuel electrode) to generate carbon dioxide, protons, and electrons. On the other hand, in the cathode (for example, the air electrode), water is generated by oxygen obtained from air, protons supplied from the fuel electrode through the electrolyte membrane, and electrons supplied from the fuel electrode through an external circuit. In addition, power is supplied by electrons passing through the external circuit.

特許文献1〜3には、触媒層と拡散層との間に、炭素を含有する層を一層もしくは二層以上介在させることが記載されている。また、特許文献4には、ガス拡散層にカーボンクロスを使用することが記載されている。   Patent Documents 1 to 3 describe that one or two or more layers containing carbon are interposed between the catalyst layer and the diffusion layer. Patent Document 4 describes the use of carbon cloth for the gas diffusion layer.

特開2004−214173号公報JP 2004-214173 A 特開2005−100748号公報JP 2005-1000074 A 特開2006−120508号公報JP 2006-120508 A 特開2007−317391号公報JP 2007-317391 A

本発明は、出力性能が向上された燃料電池を提供しようとするものである。   The present invention seeks to provide a fuel cell with improved output performance.

本発明に係る燃料電池は、カソード触媒層と、
アノード触媒層と、
前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層の間に配置された電解質膜と、
前記アノード触媒層に積層された第1〜第3の撥水性多孔質層を含むアノードガス拡散層とを具備し、
前記第1の撥水性多孔質層の透気抵抗度が前記第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度に比して大きく、前記第1の撥水性多孔質層及び前記第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度の合計が前記第3の撥水性多孔質層に比して大きいことを特徴とする。
The fuel cell according to the present invention comprises a cathode catalyst layer,
An anode catalyst layer;
An electrolyte membrane disposed between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer;
An anode gas diffusion layer including first to third water-repellent porous layers laminated on the anode catalyst layer,
The air permeability resistance of the first water repellent porous layer is larger than the air resistance resistance of the second water repellent porous layer, and the first water repellent porous layer and the second water repellent porous layer. The total air resistance of the aqueous porous layer is larger than that of the third water repellent porous layer.

本発明によれば、出力性能が向上された燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell with improved output performance.

本実施形態の燃料電池に用いる膜電極接合体の断面図。Sectional drawing of the membrane electrode assembly used for the fuel cell of this embodiment. 実施例1の第1,第2の撥水性多孔質層の作製方法を説明するための模式的な断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a method for producing the first and second water-repellent porous layers of Example 1. 本実施形態の燃料電池を示す断面図。Sectional drawing which shows the fuel cell of this embodiment. 図3の燃料電池の燃料分配機構を示す斜視図。The perspective view which shows the fuel distribution mechanism of the fuel cell of FIG. 王研式(背圧式)透気抵抗度測定機の模式図。Schematic diagram of Oken type (back pressure type) air permeability resistance measuring machine. 図5の測定機の流路に関する模式図。The schematic diagram regarding the flow path of the measuring machine of FIG. ガーレ式測定機の流路についての模式図。The schematic diagram about the flow path of a Gurley type measuring machine. 第1〜第3の撥水性多孔質層の透気抵抗度の測定方法を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the measuring method of the air resistance of a 1st-3rd water-repellent porous layer. 比較例4の燃料電池に用いられる膜電極接合体を示す断面図。Sectional drawing which shows the membrane electrode assembly used for the fuel cell of the comparative example 4. 実施例1における第1〜第3の撥水性多孔質層の燃料と水の分布を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing fuel and water distribution in the first to third water-repellent porous layers in Example 1. 実施例2における第1〜第3の撥水性多孔質層の燃料と水の分布を示す模式図。FIG. 5 is a schematic diagram showing fuel and water distribution in the first to third water-repellent porous layers in Example 2. 比較例2における第1〜第3の撥水性多孔質層の燃料と水の分布を示す模式図。The schematic diagram which shows the fuel and water distribution of the 1st-3rd water-repellent porous layer in the comparative example 2. FIG. 実施例1〜2及び比較例1〜4の燃料電池における運転時間と出力密度との関係を示す特性図。The characteristic view which shows the relationship between the operation time and output density in the fuel cell of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-4.

本発明に係る燃料電池は、アノード触媒層に積層された第1〜第3の撥水性多孔質層を含むアノードガス拡散層を具備する。第1の撥水性多孔質層がアノード触媒層に積層され、第1の撥水性多孔質層の外側に第2,第3の撥水性多孔質層がこの順番に配置されている。第1の撥水性多孔質層の透気抵抗度を第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度に比して大きくすると共に、第1の撥水性多孔質層及び第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度の合計を第3の撥水性多孔質層に比して大きくすることによって、発電によりカソード触媒層に生成した水が電解質膜を通してアノード触媒層に供給される際、その水をアノード触媒層近傍に保持することができる。   The fuel cell according to the present invention includes an anode gas diffusion layer including first to third water-repellent porous layers laminated on an anode catalyst layer. The first water-repellent porous layer is laminated on the anode catalyst layer, and the second and third water-repellent porous layers are arranged in this order outside the first water-repellent porous layer. The air resistance of the first water-repellent porous layer is made larger than the air resistance of the second water-repellent porous layer, and the first water-repellent porous layer and the second water-repellent porous layer When the water generated in the cathode catalyst layer by power generation is supplied to the anode catalyst layer through the electrolyte membrane by increasing the total air resistance of the porous layer compared to the third water repellent porous layer, Water can be retained in the vicinity of the anode catalyst layer.

また、燃料は、第3の撥水性多孔質層側から供給されるため、第1の撥水性多孔質層の透気抵抗度を第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度に比して大きくすると共に、第1の撥水性多孔質層及び第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度の合計を第3の撥水性多孔質層に比して大きくすることによって、燃料の供給を円滑にすることができる。   In addition, since the fuel is supplied from the third water-repellent porous layer side, the air resistance of the first water-repellent porous layer is compared with the air resistance of the second water-repellent porous layer. Supply of fuel by increasing the total air resistance of the first water repellent porous layer and the second water repellent porous layer as compared to the third water repellent porous layer. Can be made smooth.

これらの結果、燃料と水との混合を適正に行えるため、燃料電池の出力性能を向上することができる。   As a result, since the fuel and water can be mixed properly, the output performance of the fuel cell can be improved.

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池で用いられる膜電極接合体を図1〜図2を参照して説明する。   Hereinafter, a membrane electrode assembly used in a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1に示すように、膜電極接合体(MEA)1は、電解質膜2と、カソード3と、アノード4とを備える。カソード3は、電解質膜2の一方の面に積層されるカソード触媒層5と、カソード触媒層5に積層されるカソード拡散層6とを有する。一方、アノード4は、電解質膜2の他方の面に積層されるアノード触媒層7と、アノード触媒層7に積層されるアノード拡散層8とを有する。アノード拡散層8は、アノード触媒層7側から、第1の撥水性多孔質層9、導電性基材10、第2の撥水性多孔質層11、第3の撥水性多孔質層12がこの順番に積層されて一体化されたものからなる。   As shown in FIG. 1, a membrane electrode assembly (MEA) 1 includes an electrolyte membrane 2, a cathode 3, and an anode 4. The cathode 3 has a cathode catalyst layer 5 laminated on one surface of the electrolyte membrane 2 and a cathode diffusion layer 6 laminated on the cathode catalyst layer 5. On the other hand, the anode 4 has an anode catalyst layer 7 laminated on the other surface of the electrolyte membrane 2 and an anode diffusion layer 8 laminated on the anode catalyst layer 7. The anode diffusion layer 8 includes, from the anode catalyst layer 7 side, a first water-repellent porous layer 9, a conductive substrate 10, a second water-repellent porous layer 11, and a third water-repellent porous layer 12. It consists of what is laminated and integrated in order.

以下、各部材について説明する。   Hereinafter, each member will be described.

1)第1の撥水性多孔質層9及び第2の撥水性多孔質層11
各撥水性多孔質層は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフッ素系樹脂などの撥水剤を含有することが望ましい。
1) First water-repellent porous layer 9 and second water-repellent porous layer 11
Each water repellent porous layer preferably contains a water repellent such as a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE).

また、各撥水性多孔質層は、その電気抵抗を小さくするため、導電性物質を含有することが望ましい。導電性物質としては、例えば、炭素材料を挙げることができる。炭素材料には、ケッチェンブラック、プリンテックス、カーボンナノチューブなどが挙げられ、粒子(例えば、球状粒子、扁平状粒子)もしくは繊維の形態を有する炭素材料であれば特に限定されるものではない。特に、炭素材料の微粒子もしくは炭素材料のナノ繊維が好適である。   Each water repellent porous layer preferably contains a conductive substance in order to reduce its electrical resistance. Examples of the conductive substance include a carbon material. Examples of the carbon material include ketjen black, print tex, and carbon nanotube, and the carbon material is not particularly limited as long as it is in the form of particles (for example, spherical particles, flat particles) or fibers. In particular, fine particles of carbon material or nanofibers of carbon material are suitable.

各撥水性多孔質層の透気抵抗度は30ガーレ秒以上であることが望ましい。また、第1の撥水性多孔質層の透気抵抗度をT1とし、第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度をT2にした際に、T2/T1が90%以下であることが好ましい。 The air resistance of each water-repellent porous layer is desirably 30 gale seconds or more. Further, when the air permeability resistance of the first water repellent porous layer is T 1 and the air resistance of the second water repellent porous layer is T 2 , T 2 / T 1 is 90% or less. It is preferable that

各撥水性多孔質層は、導電性基材に一体化されていることが望ましい。具体的には、導電性基材10の一方の面に第1の撥水性多孔質層9が一体化され、かつ他方の面に第2の撥水性多孔質層11が一体化されていることが好ましい。導電性基材10には、例えばカーボンペーパを使用することができる。   Each water repellent porous layer is desirably integrated with a conductive substrate. Specifically, the first water-repellent porous layer 9 is integrated on one surface of the conductive substrate 10 and the second water-repellent porous layer 11 is integrated on the other surface. Is preferred. For the conductive substrate 10, for example, carbon paper can be used.

導電性基材10に一体化された第1,第2の撥水性多孔質層9,11は、例えば、図2に示す方法で作製される。すなわち、撥水剤及び導電性物質を混合してスラリーを調製した後、得られたスラリーを導電性基材10の両面にスプレーコート法により塗布し、温風乾燥もしくは常温で自然乾燥した後、導電性基材10の一方の面のみスラリーを重ね塗りする。これを焼成することにより、導電性基材に一体化された第1,第2の撥水性多孔質層9,11を得る。   The first and second water-repellent porous layers 9 and 11 integrated with the conductive substrate 10 are produced, for example, by the method shown in FIG. That is, after preparing a slurry by mixing a water repellent and a conductive material, the obtained slurry was applied to both surfaces of the conductive substrate 10 by a spray coating method, and then dried with warm air or naturally at room temperature, The slurry is applied over only one surface of the conductive substrate 10. By baking this, the 1st, 2nd water-repellent porous layers 9 and 11 integrated with the electroconductive base material are obtained.

2)第3の撥水性多孔質層12
第3の撥水性多孔質層12は、導電性基材と、導電性基材に形成され、炭素材料及び撥水剤を含む多孔質膜とを含む。第3の撥水性多孔質層12は、多孔質膜が第2の撥水性多孔質層11と接するように配置することが望ましい。
2) Third water repellent porous layer 12
The third water repellent porous layer 12 includes a conductive substrate and a porous film formed on the conductive substrate and containing a carbon material and a water repellent. The third water-repellent porous layer 12 is desirably arranged so that the porous film is in contact with the second water-repellent porous layer 11.

導電性基材としては、例えば、カーボンクロス等を挙げることができる。   Examples of the conductive substrate include carbon cloth.

撥水剤及び炭素材料には、前述した第1,第2の撥水性多孔質層9,11で説明したのと同様なものを挙げることができる。   Examples of the water repellent and the carbon material include the same as those described in the first and second water repellent porous layers 9 and 11 described above.

第3の撥水性多孔質層12の透気抵抗度は、30ガーレ秒未満であることが望ましい。   The air permeability resistance of the third water repellent porous layer 12 is desirably less than 30 gale seconds.

第3の撥水性多孔質層12は、例えば、図2に示す方法で作製される。すなわち、撥水剤及び導電性物質を混合してスラリーを調製した後、得られたスラリーを導電性基材の片面にスプレーコート法により塗布し、温風乾燥もしくは常温で自然乾燥した後、焼成することにより、第3の撥水性多孔質層12を得る。   The third water repellent porous layer 12 is produced, for example, by the method shown in FIG. That is, after preparing a slurry by mixing a water repellent and a conductive material, the obtained slurry is applied to one side of a conductive substrate by a spray coating method, dried with warm air or naturally dried at room temperature, and then fired. Thus, the third water repellent porous layer 12 is obtained.

3)カソード触媒層5、アノード触媒層7及び電解質膜2
カソード触媒層5とアノード触媒層7に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Pt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、燃料極側の触媒として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Moなど、空気極側の触媒として、白金やPt−Niなどを用いることが好ましいが、これらに限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。
3) Cathode catalyst layer 5, anode catalyst layer 7 and electrolyte membrane 2
Examples of the catalyst contained in the cathode catalyst layer 5 and the anode catalyst layer 7 include platinum group elements such as single metals such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, and alloys containing platinum group elements. Can be mentioned. Specifically, platinum, Pt—Ni, or the like is used as a catalyst on the air electrode side, such as Pt—Ru or Pt—Mo having strong resistance to methanol or carbon monoxide as the fuel electrode side catalyst. Although preferable, it is not limited to these. Further, a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst may be used.

また、カソード触媒層5、アノード触媒層7及び電解質膜2に含まれるプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂(デュポン社製の商品名ナフィオン(登録商標)や旭硝子社製の商品名フレミオン(登録商標)のようなパーフルオロスルホン酸重合体等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、無機物(例えば、タングステン酸、リンタングステン酸、硝酸リチウムなど)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the proton conductive material contained in the cathode catalyst layer 5, the anode catalyst layer 7 and the electrolyte membrane 2 include, for example, a fluorine-based resin having a sulfonic acid group (trade name Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Asahi Glass Co., Ltd.). For example, a perfluorosulfonic acid polymer such as Flemion (registered trademark), a hydrocarbon resin having a sulfonic acid group, an inorganic substance (for example, tungstic acid, phosphotungstic acid, lithium nitrate, etc.). However, it is not limited to these.

4)カソードガス拡散層6
カソードガス拡散層6は、カソード触媒層5に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層5の集電体も兼ねている。カソードガス拡散層6には、例えば、撥水処理の施されたカーボンペーパもしくはカーボンクロスを使用することができる。撥水処理には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフッ素系樹脂を使用することができる。
4) Cathode gas diffusion layer 6
The cathode gas diffusion layer 6 serves to uniformly supply the oxidant to the cathode catalyst layer 5 and also serves as a current collector for the cathode catalyst layer 5. For the cathode gas diffusion layer 6, for example, carbon paper or carbon cloth subjected to water repellent treatment can be used. For the water repellent treatment, a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used.

アノードガス拡散層8及びカソードガス拡散層6には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層(例えばメッシュ)または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などが用いられる。   A conductive layer is laminated on the anode gas diffusion layer 8 and the cathode gas diffusion layer 6 as necessary. As these conductive layers, for example, a porous layer (for example, mesh) or a foil body made of a metal material such as gold or nickel, or a conductive metal material such as stainless steel (SUS) is coated with a highly conductive metal such as gold. Composite materials and the like are used.

図1に示す膜電極接合体を備えた燃料電池を図3〜図4を参照して説明する。   A fuel cell provided with the membrane electrode assembly shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

図3に示す燃料電池は、図1に示す膜電極接合体1と、この膜電極接合体1に燃料を供給する燃料分配機構20と、液体燃料を収容する燃料収容部21と、これら燃料分配機構20と燃料収容部21とを接続する流路22とから主として構成されている。   The fuel cell shown in FIG. 3 includes a membrane electrode assembly 1 shown in FIG. 1, a fuel distribution mechanism 20 that supplies fuel to the membrane electrode assembly 1, a fuel storage unit 21 that stores liquid fuel, and these fuel distributions. It is mainly composed of a flow path 22 that connects the mechanism 20 and the fuel storage portion 21.

電解質膜2と燃料分配機構20およびカバープレート23との間には、それぞれゴム製のOリング24が介在されており、これらによって膜電極接合体(MEA)1からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。図示を省略したが、カバープレート23は酸化剤である空気を取入れるための開口部を有している。カバープレート23と膜電極接合体1との間には、必要に応じて表面層が配置される。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。このようなカバープレート23を備えることにより、酸化剤を供給するためのブロワを用いることなく、酸化剤をカソード3に自然供給することができる。なお、酸化剤は、空気に限定されるものではなく、O2を含むガスを使用可能である。 Rubber O-rings 24 are interposed between the electrolyte membrane 2 and the fuel distribution mechanism 20 and the cover plate 23, respectively, thereby preventing fuel leakage and oxidant leakage from the membrane electrode assembly (MEA) 1. It is preventing. Although not shown, the cover plate 23 has an opening for taking in air as an oxidant. A surface layer is disposed between the cover plate 23 and the membrane electrode assembly 1 as necessary. The surface layer adjusts the amount of air taken in, and has a plurality of air inlets whose number, size, etc. are adjusted according to the amount of air taken in. By providing such a cover plate 23, the oxidant can be naturally supplied to the cathode 3 without using a blower for supplying the oxidant. Note that the oxidizing agent is not limited to air, and a gas containing O 2 can be used.

カバープレート23と膜電極接合体1との間には、必要に応じて水蒸気透過抑制層が配置される。水蒸気透過抑制層はカソード触媒層5で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層5への空気の均一拡散を促進するものである。水蒸気透過抑制層としては、ポリエチレン系高分子、ポリオレフィン系高分子、ポリウレタン系高分子、ポリプロピレン系高分子、ポリエステル系高分子、フッ素系高分子またはポリイミド系高分子の多孔質膜等を挙げることができる。具体例としては、日東電工製の商品名サンマップ、デュポン製の商品名PTFEなどの水蒸気透過抑制層を挙げることができる。   A water vapor permeation suppression layer is disposed between the cover plate 23 and the membrane electrode assembly 1 as necessary. The water vapor permeation suppression layer is impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 5 to suppress water evaporation and promote uniform diffusion of air to the cathode catalyst layer 5. Examples of the water vapor permeation suppressing layer include polyethylene-based polymer, polyolefin-based polymer, polyurethane-based polymer, polypropylene-based polymer, polyester-based polymer, fluorine-based polymer, or polyimide-based polymer porous film. it can. Specific examples include water vapor permeation suppression layers such as Nitto Denko's trade name Sunmap and DuPont's trade name PTFE.

燃料収容部21には、膜電極接合体1に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部21には膜電極接合体1に応じた液体燃料が収容される。   The fuel storage unit 21 stores liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 1. Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol. The liquid fuel is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel. In any case, liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 1 is stored in the fuel storage portion 21.

液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、複数の燃料排出口25を有する燃料分配機構20の特徴がより顕在化するのは燃料濃度が濃い場合である。このため、燃料電池は、濃度が80%以上のメタノール水溶液もしくは純メタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。燃料としてメタノール燃料を使用する場合には、次の式(A)に示すメタノールの内部改質反応が生じる。   The type and concentration of the liquid fuel are not limited. However, the characteristic of the fuel distribution mechanism 20 having the plurality of fuel discharge ports 25 becomes more apparent when the fuel concentration is high. For this reason, the fuel cell can particularly exhibit its performance and effects when a methanol aqueous solution or pure methanol having a concentration of 80% or more is used as the liquid fuel. When methanol fuel is used as the fuel, an internal reforming reaction of methanol shown in the following formula (A) occurs.

CHOH+HO → CO+6H+6e …式(A)
内部改質反応で生成されたプロトン(H)は、電解質膜2を伝導し、カソード触媒層5に到達する。カバープレート23の開口部からカソード触媒層5に供給された空気は、次の式(B)に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e Formula (A)
Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the electrolyte membrane 2 and reach the cathode catalyst layer 5. The air supplied to the cathode catalyst layer 5 from the opening of the cover plate 23 causes a reaction represented by the following formula (B). By this reaction, water is generated and a power generation reaction occurs.

(3/2)O+6H+6e → 3HO …式(B)
膜電極接合体1のアノード(燃料極)4側には、燃料分配機構20が配置されている。燃料分配機構20は配管のような液体燃料の流路22を介して燃料収容部21と接続されている。燃料分配機構20には燃料収容部21から流路22を介して液体燃料が導入される。流路22は燃料分配機構20や燃料収容部21と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構20と燃料収容部21とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構20は流路22を介して燃料収容部21と接続されていればよい。
(3/2) O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O Formula (B)
A fuel distribution mechanism 20 is arranged on the anode (fuel electrode) 4 side of the membrane electrode assembly 1. The fuel distribution mechanism 20 is connected to a fuel storage portion 21 via a liquid fuel flow path 22 such as a pipe. Liquid fuel is introduced into the fuel distribution mechanism 20 from the fuel storage portion 21 through the flow path 22. The flow path 22 is not limited to piping independent of the fuel distribution mechanism 20 and the fuel storage unit 21. For example, when the fuel distribution mechanism 20 and the fuel storage unit 21 are stacked and integrated, a liquid fuel flow path connecting them may be used. The fuel distribution mechanism 20 only needs to be connected to the fuel storage portion 21 via the flow path 22.

液体燃料を燃料収容部21から燃料分配機構20まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部21から燃料分配機構20まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路22を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部21から燃料分配機構20まで送液することができる。さらに、燃料収容部21から燃料分配機構20への送液は、図2に示すように、ポンプ26で実施してもよい。あるいは、燃料分配機構20から膜電極接合体1への燃料供給が行われる構成であればポンプ26に代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。   The mechanism for sending the liquid fuel from the fuel storage unit 21 to the fuel distribution mechanism 20 is not particularly limited. For example, when the installation location at the time of use is fixed, the liquid fuel can be dropped from the fuel storage unit 21 to the fuel distribution mechanism 20 and fed by using gravity. Further, by using the flow path 22 filled with a porous body or the like, the liquid can be fed from the fuel storage portion 21 to the fuel distribution mechanism 20 by a capillary phenomenon. Furthermore, liquid feeding from the fuel storage unit 21 to the fuel distribution mechanism 20 may be performed by a pump 26 as shown in FIG. Alternatively, as long as the fuel is supplied from the fuel distribution mechanism 20 to the membrane electrode assembly 1, a fuel cutoff valve may be arranged instead of the pump 26. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.

燃料分配機構20は、図4に示すように、液体燃料が流路22を介して流入する少なくとも1個の燃料注入口27と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口25とを有する燃料分配板28を備えている。燃料分配板28の内部には図3に示すように、燃料注入口27から導かれた液体燃料の通路となる空隙部29が設けられている。複数の燃料排出口25は燃料通路として機能する空隙部29にそれぞれ直接接続されている。   As shown in FIG. 4, the fuel distribution mechanism 20 includes at least one fuel inlet 27 through which liquid fuel flows through the flow path 22 and a plurality of fuel outlets 25 through which the liquid fuel and its vaporized components are discharged. The fuel distribution plate 28 having As shown in FIG. 3, a gap 29 serving as a liquid fuel passage led from the fuel injection port 27 is provided inside the fuel distribution plate 28. The plurality of fuel discharge ports 25 are directly connected to gaps 29 that function as fuel passages.

燃料注入口27から燃料分配機構20に導入された液体燃料は空隙部29に入り、この燃料通路として機能する空隙部29を介して複数の燃料排出口25にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口25には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体(図示せず)を配置してもよい。これによって、膜電極接合体1のアノード4には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構20とアノード4との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口25からアノード4の複数個所に向けて排出される。   The liquid fuel introduced into the fuel distribution mechanism 20 from the fuel inlet 27 enters the gap portion 29 and is led to the plurality of fuel discharge ports 25 through the gap portion 29 functioning as the fuel passage. For example, a gas-liquid separator (not shown) that transmits only the vaporized component of the liquid fuel and does not transmit the liquid component may be disposed in the plurality of fuel discharge ports 25. As a result, the vaporized component of the liquid fuel is supplied to the anode 4 of the membrane electrode assembly 1. The gas-liquid separator may be installed as a gas-liquid separation membrane or the like between the fuel distribution mechanism 20 and the anode 4. The vaporized component of the liquid fuel is discharged from a plurality of fuel discharge ports 25 toward a plurality of locations on the anode 4.

燃料排出口25は膜電極接合体1の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板28のアノード4と対向する面に複数設けられている。燃料排出口25の個数は2個以上であればよいが、膜電極接合体1の面内における燃料供給量を均一化する上で、0.1〜10個/cm2の燃料排出口25が存在するように形成することが好ましい。 A plurality of fuel discharge ports 25 are provided on the surface of the fuel distribution plate 28 facing the anode 4 so that fuel can be supplied to the entire membrane electrode assembly 1. The number of the fuel discharge ports 25 may be two or more. However, in order to equalize the fuel supply amount in the surface of the membrane electrode assembly 1, 0.1 to 10 / cm 2 fuel discharge ports 25 are provided. It is preferable to form it so that it exists.

上述した燃料分配機構20に導入された液体燃料は空隙部29を介して複数の燃料排出口25に導かれる。燃料分配機構20の空隙部29はバッファとして機能するため、複数の燃料排出口25からそれぞれ規定濃度の燃料が排出される。そして、複数の燃料排出口25は膜電極接合体1の全面に燃料が供給されるように配置されているため、膜電極接合体1に対する燃料供給量を均一化することができる。   The liquid fuel introduced into the fuel distribution mechanism 20 described above is guided to the plurality of fuel discharge ports 25 via the gaps 29. Since the gap portion 29 of the fuel distribution mechanism 20 functions as a buffer, fuel of a specified concentration is discharged from each of the plurality of fuel discharge ports 25. Since the plurality of fuel discharge ports 25 are arranged so that fuel is supplied to the entire surface of the membrane electrode assembly 1, the amount of fuel supplied to the membrane electrode assembly 1 can be made uniform.

撥水性多孔質層の透気抵抗度について説明する。透気抵抗度は、王研式透気度試験機により測定される。透気抵抗度の単位であるガーレ秒は、ガーレ法(JIS P8117)に準ずるもので、圧力差0.0132 Kgf/cm2の下で100 cm3の空気が64.5 cm2広さの紙(サンプル)を通過する時間(秒)を意味する。 The air resistance of the water repellent porous layer will be described. The air resistance is measured by a Oken type air permeability tester. The Gurley second, which is the unit of air resistance, is based on the Gurley method (JIS P8117). A paper (sample) with 100 cm 3 of air and a width of 64.5 cm 2 under a pressure difference of 0.0132 Kgf / cm 2 is used. Means time (seconds) to pass.

王研式透気度試験機の規格は、J. TAPPI NO5B(紙パルプ技術協会規格)であり、型式はEGO-2Sである。また、測定端の直径はφ30mmでノズル型名はG,100、またはφ10mmでノズル型名は1/10G,100である。   The standard of the Oken air permeability tester is J. TAPPI NO5B (standard of paper pulp technology), and the model is EGO-2S. The diameter of the measurement end is φ30 mm and the nozzle type name is G, 100, or φ10 mm and the nozzle type name is 1 / 10G, 100.

以下に測定原理を図5〜図7を参照して説明する。   The measurement principle will be described below with reference to FIGS.

図5は、王研式(背圧式)透気度測定機の模式図を示す。測定端101には、測定サンプル102(例えばアノード多孔質層)が配置されている。測定端101には、細管103を介して水柱圧力計104が接続されている。水柱圧力計104は、細管103に接続された側圧室(B室)105と、ノズルと呼ばれる細管106を介して接続された定圧室(A室)107とを有する。水柱圧力計104の定圧室(A室)107は、細管108を介して外部圧縮源109に接続されている。細管108には、圧力ゲージ110が設けられている。   FIG. 5 is a schematic diagram of an Oken type (back pressure type) air permeability measuring machine. A measurement sample 102 (for example, an anode porous layer) is disposed at the measurement end 101. A water column pressure gauge 104 is connected to the measurement end 101 via a thin tube 103. The water column pressure gauge 104 has a side pressure chamber (B chamber) 105 connected to the narrow tube 103 and a constant pressure chamber (A chamber) 107 connected via a thin tube 106 called a nozzle. A constant pressure chamber (A chamber) 107 of the water column pressure gauge 104 is connected to an external compression source 109 via a thin tube 108. The thin tube 108 is provided with a pressure gauge 110.

測定サンプル102には、外部圧縮源109から配管108、定圧室(A室)107、細管106、側圧室(B室)105、及び細管103を通して供給された空気圧が加わる。外部圧縮源109から供給された時点での空気圧は、圧力ゲージ110により測定される。空気圧が加わるのと反対側の面に加わる圧力は、大気圧に保たれる。   Air pressure supplied from the external compression source 109 through the pipe 108, the constant pressure chamber (A chamber) 107, the narrow tube 106, the side pressure chamber (B chamber) 105, and the narrow tube 103 is applied to the measurement sample 102. The air pressure when supplied from the external compression source 109 is measured by the pressure gauge 110. The pressure applied to the surface opposite to the side where the air pressure is applied is maintained at atmospheric pressure.

測定サンプル102を透過する空気圧は、水柱圧力計104により測定される。測定サンプル102のガーレの透気度TGは、以下に説明する原理に基づいて得られる。 The air pressure that passes through the measurement sample 102 is measured by a water column pressure gauge 104. The gas permeability TG of the measurement sample 102 is obtained based on the principle described below.

図6に、図5の測定機の流路に関する模式図を示す。図6では、図5で説明したのと同様な部材については同符号を付しているが、側圧室(B室)105の右側に接続されている細管111は、測定サンプル102を見立てたものである。   FIG. 6 is a schematic diagram relating to the flow path of the measuring machine of FIG. In FIG. 6, the same members as those described in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, but the narrow tube 111 connected to the right side of the side pressure chamber (B chamber) 105 looks like the measurement sample 102. It is.

図6に関して、両細管内の流れが層流の場合は、流量と差圧の関係はハーゲン=ポアゼイユの法則に従う。また、流速が小さい場合は、流路系に連続の法則が適用できる。   Regarding FIG. 6, when the flow in both capillaries is laminar, the relationship between flow rate and differential pressure follows Hagen-Poiseuille's law. Further, when the flow velocity is small, a continuous law can be applied to the flow path system.

C=Q=π/8μ・(PC−P)・R4/L …(1)
Q=π/8μ・P・r4/l …(2)
Cは定圧室(A室)107の圧力で、500mmH2Oの定圧に保たれており、Pは側圧室(B室)105の圧力で、QCはノズル106での流量(cm3/sec)で、Qは細管111での流量(cm3/sec)で、Lはノズル106の長さ(mm)、lは細管111の長さ(mm)で、Rはノズル106の内径(mm)で、rは細管111の内径(mm)で、μは空気の粘性係数である。
Q C = Q = π / 8 μ · (P C −P) · R 4 / L (1)
Q = π / 8μ · P · r 4 / l (2)
P C is the pressure in the constant pressure chamber (A chamber) 107 and is maintained at a constant pressure of 500 mmH 2 O, P is the pressure in the side pressure chamber (B chamber) 105, and Q C is the flow rate (cm 3 / sec), Q is the flow rate (cm 3 / sec) in the narrow tube 111, L is the length (mm) of the nozzle 106, l is the length (mm) of the narrow tube 111, and R is the inner diameter (mm) of the nozzle 106. ) Where r is the inner diameter (mm) of the narrow tube 111 and μ is the viscosity coefficient of air.

図7は、ガーレ式測定機の流路についての模式図で、定圧PGに保たれるG室112の空気が細管113を通じて大気中に放出されることを示している。また、細管113は、測定サンプル102を見立てたものである。図7のG室112及び細管113は、図6で説明したのと同様な法則に従う。 Figure 7 is a schematic diagram of the flow path of Gurley measuring instrument shows that the air in the G chamber 112 is maintained at a constant pressure P G is released into the atmosphere through tubules 113. The thin tube 113 is an example of the measurement sample 102. The G chamber 112 and the narrow tube 113 in FIG. 7 follow the same rules as described in FIG.

G=π/8μ・PG・r4/l …(3)
G=100/QG…(4)
G=4W/πD2=0.0132(kgf/cm2)=1.29(kPa)…(5)
Gは、JIS P8117により規定される測定部の内筒(W=567g,D=74mm)から算出される。QGは細管113での流量(cm3/sec)で、TGは透気度(sec)である。
Q G = π / 8μ · P G · r 4 / l (3)
T G = 100 / Q G (4)
P G = 4 W / πD 2 = 0.0132 (kgf / cm 2 ) = 1.29 (kPa) (5)
P G is the inner cylinder of the measuring portion defined by JIS P8117 (W = 567g, D = 74mm) is calculated from. Q G is the flow rate (cm 3 / sec) in the narrow tube 113 and TG is the air permeability (sec).

上記の式(1),(2),(3),(4)よりTGとPの関係は次式(6)で与えられる。測定機の定数Kが決定されれば、図5の水柱圧力計に直接ガーレの透気度TGを見積もることができる。 From the above equations (1), (2), (3), (4), the relationship between TG and P is given by the following equation (6). If the constant K of the measuring machine is determined, the air permeability TG of the Gurley can be estimated directly on the water column pressure gauge of FIG.

G=800μ/πPG・L/R4・P/(PC−P)
=K・P/(PC−P)…(6)
ここで、Kは測定機の定数(K=800μ/πPG・L/R4)であり、細管106の長さL(mm)及び内径R(mm)は設計上定められる。
T G = 800 μ / πP G · L / R 4 · P / (P C -P)
= K · P / (P C -P) (6)
Here, K is a measuring machine constant (K = 800μ / πP G · L / R 4), the length of capillary 106 L (mm) and an inside diameter R (mm) is defined on the design.

なお、上記方法で透気抵抗度を測定する場合、測定対象の面を下側にして測定を行い、測定値を得る。例えば、第2の撥水性多孔質層11の透気抵抗度を測定する場合、図8に示すように、導電性基材10の両面に担持された第1、第2の撥水性多孔質層9,11を、第2の撥水性多孔質層11の面を下面にした状態でOリング31で挟み、透気抵抗度の測定を行う。   In addition, when measuring air resistance by the said method, it measures by making the surface of a measuring object into the lower side, and obtains a measured value. For example, when measuring the air resistance of the second water-repellent porous layer 11, as shown in FIG. 8, the first and second water-repellent porous layers carried on both surfaces of the conductive substrate 10 are used. 9 and 11 are sandwiched between the O-rings 31 with the second water repellent porous layer 11 facing down, and the air resistance is measured.

本発明に適用可能な燃料電池は、その形態から、液体燃料と酸化剤の供給をポンプなどの補器を用いて行うアクティブ型燃料電池、液体燃料の気化成分をアノードに供給するパッシブ型(内部気化型)燃料電池、前述した図3〜図4に示すセミパッシブ型の燃料電池などが挙げられる。アクティブ型燃料電池では、メタノール水溶液からなる燃料について、その量が一定になるようにポンプで調整しながらMEAのアノードへ供給する一方、カソードに対しても空気をポンプで供給する方式が採られる。パッシブ型燃料電池では、MEAのアノードに気化したメタノールを自然供給で送り、一方カソードに対しても外部の空気を自然供給することで、ポンプなどの余計な機器を装備しない方式が採られる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部から膜電極接合体に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池では、燃料を循環させないことから、アクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、セミパッシブ型の燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられる。   The fuel cell applicable to the present invention is an active type fuel cell in which liquid fuel and oxidant are supplied by using an auxiliary device such as a pump, and a passive type (internal) that supplies vaporized components of liquid fuel to the anode. (Vaporization type) fuel cell, semi-passive type fuel cell shown in FIGS. The active fuel cell employs a system in which a fuel made of an aqueous methanol solution is supplied to the anode of the MEA while being adjusted by a pump so that the amount thereof is constant, and air is also supplied to the cathode by a pump. In the passive type fuel cell, a system in which vaporized methanol is naturally supplied to the anode of the MEA and natural air is also supplied to the cathode and no extra equipment such as a pump is provided. In the semi-passive type fuel cell, the fuel supplied from the fuel storage part to the membrane electrode assembly is used for the power generation reaction, and is not circulated thereafter and returned to the fuel storage part. The semi-passive type fuel cell is different from the active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Further, the semi-passive type fuel cell uses a pump for supplying fuel, and is different from a pure passive type such as an internal vaporization type. In this semi-passive type fuel cell, a fuel cutoff valve may be arranged in place of the pump as long as fuel is supplied from the fuel storage portion to the membrane electrode assembly. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施例1)
<スラリーの調製>
炭素材料(市販品、ValcanXC-72)を6.50g、純水を65.00g、界面活性剤(市販品)を1.30g、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)溶液(市販品:濃度60%)を7.20gとを混合し、スターラー分散にて80分分散させ、スラリー約72gを得た。
Example 1
<Preparation of slurry>
6.50 g of carbon material (commercial product, ValcanXC-72), 65.00 g of pure water, 1.30 g of surfactant (commercial product), 7.20 g of polytetrafluoroethylene (PTFE) solution (commercial product: concentration 60%) Were mixed with a stirrer dispersion for 80 minutes to obtain about 72 g of a slurry.

<第1,第2の撥水性多孔質層の作製>
導電性基材としての市販のカーボンペーパ(東レ製:TGP−H−030もしくは060)を50×200mmに切断し回転ドラムに装着した。調製したスラリーを、回転ドラムに装着したカーボンペーパにスプレー方式にて塗布した。
<Preparation of first and second water-repellent porous layers>
Commercially available carbon paper (manufactured by Toray: TGP-H-030 or 060) as a conductive substrate was cut into 50 × 200 mm and mounted on a rotating drum. The prepared slurry was applied to carbon paper mounted on a rotating drum by a spray method.

塗布スピードは溶液1g当たり1分で、1層当たり10g、全部で3層塗布する。前述の図2に示すように、カーボンペーパの一方の面にスラリーを塗布して乾燥させた後、他方の面が外面となるようにカーボンペーパを回転ドラムに装着し直し、二回目の塗布及び乾燥を行い、再び装着し直し、既に一層目が形成された面に重ねて三回目の塗布、乾燥を行った。その後、380℃の焼成温度で1時間の条件にて焼成を行い、カーボンペーパに一体化された第1,第2の撥水性多孔質層を得た。   The coating speed is 1 minute per 1 g of the solution, and 10 g per layer is applied, for a total of 3 layers. As shown in FIG. 2, the slurry is applied to one surface of the carbon paper and dried, and then the carbon paper is remounted on the rotating drum so that the other surface becomes the outer surface. Drying and remounting were performed, and the third coating and drying were performed on the surface where the first layer was already formed. Thereafter, firing was carried out at a firing temperature of 380 ° C. for 1 hour to obtain first and second water-repellent porous layers integrated with carbon paper.

このときの二回塗布された側を第1の撥水性多孔質層とし、一回のみ塗布された側を第2の撥水性多孔質層とした。   The side that was applied twice at this time was the first water-repellent porous layer, and the side that was applied only once was the second water-repellent porous layer.

<第3の撥水性多孔質層の作製>
第3の撥水性多孔質層として、市販の撥水性多孔質膜付カーボンクロス(BAFS製:LT−2300W 又は LT−2500W)を使用した。撥水性多孔質膜は、炭素材料及びポリテトラフルオロエチレンを含むもので、カーボンクロスの片面に形成されていた。
<Production of third water-repellent porous layer>
As the third water-repellent porous layer, a commercially available carbon cloth with a water-repellent porous membrane (manufactured by BAFS: LT-2300W or LT-2500W) was used. The water repellent porous film contains a carbon material and polytetrafluoroethylene, and is formed on one side of a carbon cloth.

<アノード触媒層の作製>
白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とパーフルオロスルホン酸重合体溶液(デュポン社製のナフィオン溶液DE2020)と溶媒をホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを作製し、これを基材の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。そしてこれを常温乾燥して、基材から剥離し、アノード触媒層を形成した。
<Preparation of anode catalyst layer>
A carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles, a perfluorosulfonic acid polymer solution (Nafion solution DE2020 manufactured by DuPont) and a solvent are mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. The coating was applied to one surface using a die coater. And this was dried at normal temperature, it peeled from the base material, and the anode catalyst layer was formed.

<カソードガス拡散層の作製>
カソードガス拡散層として気孔率が75%のカーボンペーパ(東レ(株)製TGP-090)を用意した。
<Preparation of cathode gas diffusion layer>
Carbon paper (TGP-090 manufactured by Toray Industries, Inc.) having a porosity of 75% was prepared as a cathode gas diffusion layer.

<カソード触媒層の作製>
白金微粒子を担持したカーボン粒子とパーフルオロスルホン酸重合体溶液(デュポン社製のナフィオン溶液DE2020)と溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを作製した。得られたスラリーを、基材の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。そしてこれを常温乾燥して、基材から剥離し、カソード触媒層を形成した。
<Preparation of cathode catalyst layer>
Carbon particles carrying platinum fine particles, a perfluorosulfonic acid polymer solution (Nafion solution DE2020 manufactured by DuPont) and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. The obtained slurry was applied to one surface of the substrate using a die coater. And this was dried at normal temperature, it peeled from the base material, and the cathode catalyst layer was formed.

<電解質膜の作製>
電解質膜として、パーフルオロスルホン酸重合体を含む固体電解質膜ナフィオン112(デュポン社製)を用意した。
<Preparation of electrolyte membrane>
A solid electrolyte membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont) containing a perfluorosulfonic acid polymer was prepared as an electrolyte membrane.

<膜電極接合体(MEA)の作製>
電解質膜とカソード触媒層を重ね合わせ、さらにカソード触媒層にカソードガス拡散層を重ね合わせ、温度が135℃、圧力が40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜のカソードを重ね合わせたのと反対側の面にアノード触媒層を重ね、さらにアノード触媒層に第1の撥水性多孔質層、カーボンペーパ、第2の撥水性多孔質層、撥水性多孔質膜付カーボンクロス(第3の撥水性多孔質層)を重ね合わせ、温度が135℃、圧力が10kgf/cm2の条件でプレスし、膜電極接合体(MEA)を作製した。なお、第3の撥水性多孔質層の撥水性多孔質膜を第2の撥水性多孔質層に接触させた。また、電極面積は、カソード、アノードともに12cm2とした。
<Production of membrane electrode assembly (MEA)>
The electrolyte membrane and the cathode catalyst layer were overlaid, and the cathode gas diffusion layer was overlaid on the cathode catalyst layer, and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, an anode catalyst layer is stacked on the opposite side of the electrolyte membrane on which the cathode is stacked, and further, the first water-repellent porous layer, the carbon paper, the second water-repellent porous layer, A carbon cloth with a water-repellent porous film (third water-repellent porous layer) was superposed and pressed under conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 to prepare a membrane electrode assembly (MEA). The water repellent porous film of the third water repellent porous layer was brought into contact with the second water repellent porous layer. The electrode area was 12 cm 2 for both the cathode and the anode.

<燃料電池の組み立て>
続いて、この膜電極接合体をもちいて図3に示す構成の燃料電池を作製した。具体的には、この膜電極接合体を空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層およびカソード導電層を形成した。
<Assembly of fuel cell>
Subsequently, a fuel cell having the configuration shown in FIG. 3 was produced using this membrane electrode assembly. Specifically, this membrane electrode assembly was sandwiched between gold foils having a plurality of openings for taking in air and vaporized methanol, thereby forming an anode conductive layer and a cathode conductive layer.

上記の膜電極接合体(MEA)、アノード導電層、カソード導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体のカソード側と一方のフレームとの間、膜電極接合体のアノード側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。   The laminate in which the membrane electrode assembly (MEA), the anode conductive layer, and the cathode conductive layer were laminated was sandwiched between two resin frames. A rubber O-ring was sandwiched between the cathode side of the membrane electrode assembly and one frame, and between the anode side of the membrane electrode assembly and the other frame, respectively.

また、アノード側のフレームは、気液分離膜を介して、燃料分配機構にカシメおよびネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、カソード側のフレーム上には水蒸気透過抑制層を形成した。この水蒸気透過抑制層上には、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さが2mmのステンレス板(SUS304)を配置してカバープレートを形成し、ネジ止めによって固定した。   Moreover, the frame on the anode side was fixed to the fuel distribution mechanism by caulking and screwing through a gas-liquid separation membrane. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a water vapor permeation suppression layer was formed on the cathode side frame. On this water vapor permeation suppression layer, a stainless steel plate (SUS304) with a thickness of 2 mm formed with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is arranged to form a cover plate, and screws Fixed with a stop.

(実施例2)
第3の撥水性多孔質層の導電性基材としてカーボンクロスの代わりにカーボンペーパを使用した以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の燃料電池を作製した。
(Example 2)
A fuel cell having the same configuration as that described in Example 1 was prepared except that carbon paper was used instead of carbon cloth as the conductive substrate of the third water-repellent porous layer.

(比較例1)
第3の撥水性多孔質層の透気抵抗度を第1,第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度の合計値に比して大きくすること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の燃料電池を作製した。
(Comparative Example 1)
Explained in Example 1 described above, except that the air resistance of the third water repellent porous layer is larger than the total value of the air resistance of the first and second water repellent porous layers. A fuel cell having the same configuration as that described above was produced.

(比較例2)
第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度を第1の撥水性多孔質層の透気抵抗度に比して大きくすること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の燃料電池を作製した。
(Comparative Example 2)
The same configuration as that described in Example 1 except that the air resistance of the second water repellent porous layer is larger than the air resistance of the first water repellent porous layer. A fuel cell was prepared.

(比較例3)
第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度を第1の撥水性多孔質層の透気抵抗度に比して大きくすると共に、第3の撥水性多孔質層の透気抵抗度を第1,第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度の合計値に比して大きくすること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の燃料電池を作製した。
(Comparative Example 3)
The air resistance of the second water-repellent porous layer is made larger than the air resistance of the first water-repellent porous layer, and the air resistance of the third water-repellent porous layer is increased. A fuel cell having the same configuration as that described in Example 1 was prepared except that it was made larger than the total value of the air resistance of the first and second water repellent porous layers.

(比較例4)
図9に示すようにアノード拡散層としてカーボンペーパ32を使用すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の燃料電池を作製した。
(Comparative Example 4)
As shown in FIG. 9, a fuel cell having the same configuration as that described in Example 1 was prepared except that carbon paper 32 was used as the anode diffusion layer.

上記したように形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを注入し、以下の条件で初期出力値(mW/cm2)、連続運転後出力値(mW/cm2)、出力維持率(%)を測定し、その結果を下記表1及び図13に示す。 Pure methanol is injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above, and the initial output value (mW / cm 2 ), the output value after continuous operation (mW / cm 2 ) and the output are maintained under the following conditions. The rate (%) was measured, and the results are shown in Table 1 and FIG.

初期出力値(mW/cm2)の測定方法を以下に説明する。 A method for measuring the initial output value (mW / cm 2 ) will be described below.

燃料分配機構への燃料の送液は、燃料収容室からポンプを用いる構成にて行った。この燃料電池を制御温度45℃にて0.35V定電圧測定を行い、測定開始から10時間後の出力値を初期出力とした。   The fuel was fed to the fuel distribution mechanism in a configuration using a pump from the fuel storage chamber. This fuel cell was measured at a constant voltage of 0.35 V at a control temperature of 45 ° C., and the output value 10 hours after the start of measurement was used as the initial output.

連続運転後出力値(mW/cm2)の測定方法を以下に説明する。 A method for measuring the output value (mW / cm 2 ) after continuous operation will be described below.

上記と同様の定電圧測定を行い、測定開始から1000時間連続測定を行った際の出力値を連続運転後出力値とした。   The same constant voltage measurement as described above was performed, and the output value when continuous measurement was performed for 1000 hours from the start of measurement was defined as the output value after continuous operation.

出力維持率(%)の測定方法を以下に説明する。   A method for measuring the output retention rate (%) will be described below.

上記測定により得られた各値から以下の式により出力維持率を計算にて求める。   From each value obtained by the above measurement, an output maintenance rate is obtained by calculation according to the following formula.

出力維持率(%)=(連続運転後出力値/初期出力値)×100

Figure 2010170826
Output maintenance ratio (%) = (Output value after continuous operation / Initial output value) × 100
Figure 2010170826

表1及び図13から明らかな通りに、実施例1〜2の燃料電池は、初期出力、出力維持率及び連続運転後出力値が、比較例1〜4に比して高いことがわかる。   As is clear from Table 1 and FIG. 13, it can be seen that the fuel cells of Examples 1 and 2 have higher initial outputs, output retention ratios, and output values after continuous operation than those of Comparative Examples 1 to 4.

図10〜図12に、実施例1,2及び比較例2における第1〜第3の撥水性多孔質層の燃料と水の分布を模式的に示す。図10,図11に示すように、実施例1,2によると、第1の撥水性多孔質層により多くの水を保持できる。特に図10に示すように、実施例1では、第1の撥水性多孔質層9における燃料保持量が十分に絞れており、また、第1の撥水性多孔質層9の水保持性に優れているため、クロスオーバを抑制することができ、出力性能が向上される。   10 to 12 schematically show the fuel and water distribution of the first to third water-repellent porous layers in Examples 1 and 2 and Comparative Example 2. FIG. As shown in FIGS. 10 and 11, according to Examples 1 and 2, more water can be retained in the first water-repellent porous layer. In particular, as shown in FIG. 10, in Example 1, the amount of fuel retained in the first water-repellent porous layer 9 is sufficiently narrowed, and the water retaining property of the first water-repellent porous layer 9 is excellent. Therefore, crossover can be suppressed and output performance is improved.

一方、図12に示す比較例2では、アノード触媒層7近傍における水保持量が実施例1,2に比して少なく、そのために出力性能が劣化した。   On the other hand, in Comparative Example 2 shown in FIG. 12, the amount of water retained in the vicinity of the anode catalyst layer 7 was smaller than that in Examples 1 and 2, and the output performance deteriorated.

1…膜電極接合体(MEA)、2…電解質膜、3…カソード(空気極)、4…アノード(燃料極)、5…空気極触媒層、6…空気極ガス拡散層、7…燃料極触媒層、8…燃料極ガス拡散層、9…第1の撥水性多孔質層、10…導電性基材、11…第2の撥水性多孔質層、12…第3の撥水性多孔質層、20…燃料分配機構、21…燃料収容部、22…流路、23…カバープレート、24…Oリング、25…燃料排出口、26…ポンプ、27…燃料注入口、28…燃料分配板、29…空隙部、31…Oリング、32…燃料極ガス拡散層、101…測定端、102…測定サンプル、103,108,111,113…細管、104…水柱圧力計、105…側圧室(B室)、106…ノズル、107…定圧室(A室)、109…外部圧縮源、110…圧力ゲージ、112…G室。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Membrane electrode assembly (MEA), 2 ... Electrolyte membrane, 3 ... Cathode (air electrode), 4 ... Anode (fuel electrode), 5 ... Air electrode catalyst layer, 6 ... Air electrode gas diffusion layer, 7 ... Fuel electrode Catalyst layer, 8 ... Fuel electrode gas diffusion layer, 9 ... First water-repellent porous layer, 10 ... Conductive substrate, 11 ... Second water-repellent porous layer, 12 ... Third water-repellent porous layer , 20 ... Fuel distribution mechanism, 21 ... Fuel container, 22 ... Flow path, 23 ... Cover plate, 24 ... O-ring, 25 ... Fuel discharge port, 26 ... Pump, 27 ... Fuel injection port, 28 ... Fuel distribution plate, DESCRIPTION OF SYMBOLS 29 ... Gap part, 31 ... O-ring, 32 ... Fuel electrode gas diffusion layer, 101 ... Measurement end, 102 ... Measurement sample, 103, 108, 111, 113 ... Narrow tube, 104 ... Water column pressure gauge, 105 ... Side pressure chamber (B Chamber), 106 ... nozzle, 107 ... constant pressure chamber (A chamber), 109 ... external compression source, 110 Pressure gauge, 112 ... room G.

Claims (4)

カソード触媒層と、
アノード触媒層と、
前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層の間に配置された電解質膜と、
前記アノード触媒層に積層された第1〜第3の撥水性多孔質層を含むアノードガス拡散層と
を具備し、
前記第1の撥水性多孔質層の透気抵抗度が前記第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度に比して大きく、前記第1の撥水性多孔質層及び前記第2の撥水性多孔質層の透気抵抗度の合計が前記第3の撥水性多孔質層に比して大きいことを特徴とする燃料電池。
A cathode catalyst layer;
An anode catalyst layer;
An electrolyte membrane disposed between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer;
An anode gas diffusion layer including first to third water-repellent porous layers laminated on the anode catalyst layer,
The air permeability resistance of the first water repellent porous layer is larger than the air resistance resistance of the second water repellent porous layer, and the first water repellent porous layer and the second water repellent porous layer. A fuel cell characterized in that the total air resistance of the aqueous porous layer is larger than that of the third water-repellent porous layer.
一方の面に前記第1の撥水性多孔質層が一体化され、かつ他方の面に前記第2の撥水性多孔質層が一体化される導電性基材をさらに具備することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   The first water-repellent porous layer is integrated on one surface, and a conductive base material on which the second water-repellent porous layer is integrated on the other surface is further provided. The fuel cell according to claim 1. 前記第3の撥水性多孔質層が一体化される導電性基材をさらに具備することを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, further comprising a conductive base material on which the third water-repellent porous layer is integrated. 前記第3の撥水性多孔質層が一体化される導電性基材はカーボンクロス膜であることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the conductive substrate on which the third water-repellent porous layer is integrated is a carbon cloth film.
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